Từ khi được khám tới nay, năng lượng hạt nhân đã trở thành một lĩnh vực công nghệ với rất nhiều ứng dụng quan trọng đối với nhân loại, từ sản xuất điện, chế tạo vũ khí hay phục vụ cho các nghiên cứu khoa học khác. Vậy năng lượng hạt nhân để nghiên cứu, sản xuất điện và năng lượng hạt nhân để sản xuất vũ khí khác nhau như thế nào?
Urani được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1789 bởi nhà hóa học người Đức, Martin Klaproth và được đặt tên dựa theo tên sao Thiên Vương (Uranus). Sau đó hơn 100 năm, năm 1895, bức xạ ion được phát hiện bởi Wilhelm Rontgen trong thí nghiệm cho một dòng điện chạy qua một ống chân không thủy tinh và tạo nên các tia X liên tục. Tiếp theo vào năm 1896, Henri Becquerel phát hiện ra rằng quặng Pecblen (một loại quặng khoáng sản chứa Radi và Urani) có khả năng làm đen (cháy) kính ảnh. Ông đã nghiên cứu hiện tượng trên và chứng minh được rằng đó là do bức xạ beta (electron) và các hạt alpha (hạt nhân Heli) được phát xạ ra. Nhà vật lý người Pháp Paul Villard đã phát hiện thêm 1 dạng bức xạ thứ 3 của quặng pecblen: tia gamma, loại tia tương tự như tia X. Cũng trong năm đó, Pierre và Marie Curie đã đặt tên “phóng xạ” (radioactivity) để diễn tả cho hiện tượng này. Năm 1898, họ đã tách được Poloni và Radi từ quặng pecblen.
Pierre và Marie Curie đã đặt tên “phóng xạ” (radioactivity) để diễn tả cho hiện tượng phân rã hạt nhân
Vào năm 1932, James Chadwick phát hiện ra sự tồn tại của nơtron. Cũng năm đó, Cockcroft và Walton đã tạo ra hạt nhân biến đổi nhờ bắn phá nguyên tử bằng các proton được gia tốc. Sau đó, vào năm 1934, Irene Curie và Frederic Joliot phát hiện ra các biến đổi của hạt nhân trong quá trình bắn phá đã tạo ra các đồng vị phóng xạ nhân tạo. Một năm sau, nhà vật lý học người Ý Enrico Fermi (1901-1954) phát hiện ra rằng nếu dùng nơtron để bắn phá thay cho proton có thể tạo ra được nhiều đồng vị phóng xạ nhân tạo hơn. Fermi có nhiều đóng góp to lớn trong sự phát triển của phân rã bêta, phát triển lò phản ứng hạt nhân đầu tiên của loài người.
Những thành công trong thí nghiệm về phân hạch hạt nhân do các nhà khoa học thực hiện vào năm 1939 đã gây nên sự hấp dẫn cho nhiều nhà khoa học khác để thực hiện nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Trong các nghiên cứu tiếp theo do Hahn và Strassmann thực hiện đã chỉ ra rằng, trong quá trình phân hạch hạt nhân không chỉ giải phóng rất nhiều năng lượng mà còn sản sinh ra các nơtron bổ sung. Các nơtron này có thể tiếp tục tạo nên sự phân hạch các hạt nhân Urani khác từ đó hình thành nên một phản ứng dây chuyền tự duy trì nhằm tạo nên một nguồn năng lượng vô cùng lớn theo cấp số nhân. Tính chất trên ngay sau đó đã được kiểm chứng và xác nhận bởi nhiều nhà khoa học khác bao gồm Joliot cũng như Leo Szilard và Fermi.
Ngay từ những nghiên cứu đầu tiên, Bohr đã sớm nhận định rằng quá trình phân hạch hạt nhân gần như xảy ra hoàn toàn trong đồng vị Urani-235, tỷ lệ phân hạch cao hơn so với đồng vị Urani-238. Đồng thời, ông cũng dự đoán rằng quá trình phân hạt diễn ra hiệu quả hơn khi dùng các nơtron di chuyển chậm thay vì các nơ tron tốc độ cao. Quan điểm này sau đó đã được xác nhận bởi Szilard và Fermi, 2 nhà nghiên cứu cũng đã đề xuất sử dụng “thiết bị điều tiết” nhằm làm chậm các nơtron được phóng thích ra. Bohr và Wheeler sau đó đã mở rộng ý tưởng trên, từ đó hình thành nên thành phần quan trọng nhất trong hệ thống thực hiện phản ứng phân hạch hạt nhân.
Vũ khí hạt nhân – Boom nguyên tử
Một nghiên cứu khác trong sự phát triển của năng lượng hạt nhân trong giai đoạn này chính là ý tưởng về bom phân hạch (bom nguyên tử) do nhà vật lý người Pháp Francis Perrin (1901-1992) đưa ra vào năm 1939. Perrin là người đã đề xuất khối lượng Urani cần thiết để sản xuất một hệ thống phân hạch hạt nhân tự duy trì và giải phóng năng lượng. Học thuyết của Perrin đã được mở rộng bởi Rudolf Peierls tại Đại học Birmingham và các kết quả tính toán được đã đóng góp một phần không nhỏ cho việc chế tạo bom nguyên tử sau đó.
Từ tháng 4 năm 1939, nhà vật lý học người Đức Werner Heisenberg (1901-1976) cùng học trò của mình đã bắt đầu thực hiện dự án năng lượng hạt nhân dưới sự giám sát của Ủy ban bom mìn Đức quốc xã. Ban đầu, dự án được khởi động với mục tiêu chế tạo vũ khí hạt nhân nhưng đến năm 1942, dự án chính thức đóng cửa với kết luận về tính bất khả thi khi áp dụng năng lượng hạt nhân vào trong mục đích quân sự. Dù vậy, sự tồn tại của dự án đã thúc đẩy sự phát triển của bom nguyên tử tại Anh và Mỹ trong thời chiến. Werner Heisenberg được coi là một trong những nhà vật lý học nổi tiếng nhất thế kỷ 20 và có đóng góp vô cùng quan trọng trong việc hình thành nên thuyết cơ học lượng tử. Werner Heisenberg được trao tặng giải thưởng Nobel vào năm 1932 và nếu các bạn chú ý, cái tên Heisenberg đã được nhân vật White trong phim Breaking Bad chọn làm biệt danh cho hoạt động thế giới ngầm của mình.
Trong giai đoạn chiến trang, các nhà khoa học Anh đã chịu áp lực lớn của chính phủ trong việc nghiên cứu khai thác vũ khí hạt nhân. 2 nhà vật lý tị nạn sang Anh là Peierls và Fisch đã góp phần không nhỏ trong việc quân sự hóa năng lượng hạt nhân với bản ghi chép nổi tiếng dài 3 trang giấy về các khái niệm chính trong hoạt động của bom nguyên tử.
Trong ghi chép, các nhà nghiên cứu ước tính rằng 5kg U-235 tinh khiết dùng để chế tạo bom nguyên tử có thể tạo nên một vụ nổ tương đương với vài nghìn tấn thuốc nổ. Chính bản ghi chép này đã kích thích sự phản triển của việc chế tạo bom nguyên tử không chỉ tại Anh mà còn ở Mỹ trong những năm sau đó. Một nhóm các nhà khoa học nổi tiếng thành lập ủy ban mang tên MAUD tại Anh và thực hiện các nghiên cứu dưới sự giám sát bởi các Đại học Birmingham, Bristol, Cambridge, Liverpool và Oxford. Các vấn đề về chế tạo hợp chất khí Urani cũng như kim loại Urani tinh khiết đã được nghiên cứu thành công tại Đại học Birmingham và Viện công nghiệp hóa chất hoàng gia Anh (ICI). Giám đốc dự án Manhattan tại Mỹ, nhà vật lý Robert Oppenheimer đã chủ trì nhóm nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm bí mật ở Los Alamos, New Mexico nhằm thiết kế và chế tạo cả bom U-235 lẫn Pu-239. Kết quả của tất cả những nỗ lực nghiên cứu, cùng với sự đóng góp của các nhà nghiên cứu Anh, một lượng lớn U-235 và Pu-239 với độ tinh khiết cao đã được làm giàu thành công. Thiết bị hạt nhân đầu tiên được thử nghiệm thành công tại Alamagodro, bang New Mexico vào ngày 16/7/1945. Thiết bị đã sử dụng Plutonium tạo ra trong một ống hạt nhân. Quả bom nguyên tử đầu tiên, chứa U-235, đã được thả xuống Hiroshima vào ngày 6/8/1945. Quả bom thứ 2, chứa Pu-239, đã được thả xuống Nagasaki vào ngày 9/8 cùng năm.
Quả boom nguyên tử Little Boy do Mỹ chế tạo
Phản ứng phân hạch hạt nhân giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ so với lượng vật chất cần để tạo ra phản ứng. Vì thế ngay từ khi phát hiện ra phản ứng năm 1939, con người đã có tham vọng chế tạo bom hạt nhân phục vụ mục đích quân sự. Một vụ nổ bom nguyên tử khởi phát từ phản ứng phân hạch dây chuyền mất kiểm soát tức thì (nhiều phản ứng phân hạch xảy ra trong một khoảng thời gian cực ngắn), giải phóng năng lượng cực lớn dưới dạng nhiệt (chuyển động của các mảnh vỡ phân hạch) và năng lượng bức xạ. Điều kiện tiên quyết để hình thành phản ứng dây chuyền mất kiểm soát là vật liệu phân hạch (U-235 hoặc Pu-239) sử dụng làm bom phải có độ tinh khiết tối thiểu 95%. Trong tự nhiên, Uranium chứa 2 nguyên tố đồng vị chính là U-238 và U-235, trong đó U-235 chỉ chiếm 0.7%, do vậy phải có công nghệ làm giàu U-235 đến độ tinh khiết yêu cầu.
Điện hạt nhân – Lò phản ứng hạt nhân
Khác với bom nguyên tử, các lò phản ứng hạt nhân được thiết kế để sử dụng năng lượng giải phóng từ phản ứng phân hạch dưới dạng nhiệt một cách hiệu quả, lượng nhiệt này sẽ được khai thác để làm nóng các chất làm mát (như nước, khí), từ đó tạo ra hơi hoặc khí chạy tuabin phát điện. Vì vậy U-235 được sử dụng làm nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân chỉ cần làm giàu tới mức dưới 5%. Nhiên liệu với độ làm giàu U-235 dưới 5% thì khó có thể tạo ra phản ứng hạt nhân dây chuyền mất kiểm soát tức thì hoàn toàn như bom nguyên tử, nếu mất kiểm soát chỉ làm cho nhiệt độ nhiên liệu tăng cao dẫn đến tăng áp suất và nhiệt độ của chất làm mát, tiếp đó làm chuyển pha hoặc sinh ra nhiều sản phẩm dạng khí (ví dụ như H2) có nguy cơ cao gây ra nổ.
Như vậy, nổ lò phản ứng hạt nhân là một vụ nổ bắt nguồn từ nhiệt độ và áp suất của chất làm mát tăng cao mất kiểm soát, không giống một vụ nổ vũ khí hạt nhân là vụ nổ do phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền mất kiểm soát trực tiếp gây ra.
Sau chiến tranh thế giới thứ 2, các nghiên cứu trước đó về vũ khí hạt nhân bắt đầu được xem xét để phục vụ cho mục đích hòa bình và có một nguồn lực lớn được đầu tư nhằm phát triển năng lượng hạt nhân cho hơi nước và điện năng. Trong quá trình chạy đua vũ khí, các nước phương Tây lẫn Liên Xô đều mua hàng loạt công nghệ xoay quanh năng lượng hạt nhân và trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng còn có thể khai thác trực tiếp năng lượng hạt nhân để tạo ra điện năng. Điều này đã mở ra rất nhiều tiềm năng cho năng lượng hạt nhân, từ cung cấp lưới điện quốc gia cho đến động cơ cho tàu ngầm.
Vào năm 1953, tổng thống Mỹ Eisenhower đã đề xuất chương trình “hạt nhân cho hòa bình” nhằm kêu gọi các nghiên cứu hạt nhân hướng tới phát điện đồng thời thiết lập phát triển ngành công nghiệp điện hạt nhân dân sự tại Mỹ. Tại Liên Xô, nhiều nghiên cứu khác nhau cũng đã được thực hiện tại các nhà máy điện trên khắp cả nước nhằm cải tiến quá trình thực hiện phản ứng hạt nhân và phát triển những ứng dụng mới. Vào tháng 5 năm 1946, viện Vật lý kỹ thuật điện đã được thành lập với mục tiêu phát triển công nghệ điện hạt nhân. Các nhà máy điện hạt nhân được thành lập dựa trên nguyên lý trước đó là sử dụng than chì và nước nặng để kiểm soát quá trình phản ứng. Đây là mô hình cơ bản vốn được sử dụng cho mục đích quân sự trong thời chiến để làm giàu Plutonium bao gồm cả nhà máy hạt nhân nổi tiếng Chernobyl. Lò phản ứng AM-1 hạt nhân an toàn đã đạt công suất cung cấp điện năng 30 MWt và tiếp tục sản xuất điện cho tới năm 1959. Sau đó cho tới năm 2000, đây được sử dụng như trung tâm nghiên cứu và sản xuất đồng vị phóng xạ tại Nga.
Tại Mỹ, Westinghouse thiết kế lò phản ứng hạt nhân chịu áp lực thương mại đầu tiên với công suất 250 MWe. Nhà máy mang tên Yankee Rowe được khởi công xây dựng từ năm 1960 và chính thức đi vào hoạt động vào năm 1992. Cùng lúc đó, lò phản ứng nước sôi (BWR) với công suất 250 MWe được phát triển bởi phòng thí nghiệm quốc gia Argonne. Nhà máy đầu tiên áp dụng công nghệ lò BWR mang tên Dresden-1 được chính thức thiết kế và xây dựng bởi General Electric vào năm 1960. Cho đến cuối những năm 1960, mô hình lò PWR và BWR đã có được đặt hàng từ đấy nhiều nơi với công suất được nâng lên đến 1000 MWe. Từ những năm 1970 đến năm 2002, ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân gặp phải một số suy giảm và trì trệ. Một vài lò phản ứng được đặt hàng, nhưng mãi đến những năm 1980 thì con số này mới tăng lên hơn 30% và hiệu quả sử dụng cũng tăng lên tới 60%.
Nhà máy điện hạt nhân
Năng lượng hạt nhân hay năng lượng nguyên tử là một loại công nghệ hạt nhân được thiết kế để tách năng lượng hữu ích từ hạt nhân nguyên tử thông qua các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát. Phương pháp duy nhất được sử dụng hiện nay là phân hạch hạt nhân, mặc dù các phương pháp khác có thể bao gồm tổng hợp hạt nhân và phân rã phóng xạ. Tất cả các lò phản ứng với nhiều kích thước và mục đích sử dụng khác nhau đều dùng nước được nung nóng để tạo ra hơi nước và sau đó được chuyển thành cơ năng để phát điện hoặc tạo lực đẩy. Nguồn năng lượng này mang lại khá nhiều lợi ích cho con người:
- Năng lượng khá sạch và không cần đến nhiên liệu hóa thạch. Nếu chất thải phóng xạ được kiểm soát tốt, nó sẽ không thải ra bất kỳ loại chất ô nhiễm nào. Điều này giúp giảm thiểu các khí gây ô nhiễm vào bầu khí quyển và sự nóng lên toàn cầu.
- Không phụ thuộc vào các yếu tố tự nhiên hoặc môi trường như năng lượng tái tạo
- Điện hạt nhân rẻ khi tính đến tổng lượng năng lượng có thể tạo ra. Để sản xuất năng lượng hạt nhân, cần ít nguyên liệu thô hơn (urani hoặc plutoni) so với tiết kiệm nguyên liệu (urani chiếm gần một phần tư chi phí để sản xuất năng lượng hạt nhân) mà còn trong vận chuyển, lưu trữ, cơ sở hạ tầng để khai thác,…
- Đảm bảo cung cấp điện liên tục. Vì hiệu suất không đổi, nên giá cả cũng vậy. Không giống như xăng dầu phụ thuộc vào quyết định của nhiều công ty và giá của nó liên tục thay đổi thì nguồn năng lượng này sẽ cố định và không biến động nhiều.
Nguyên lý làm việc của nhà máy điện hạt nhân cũng giống như hoạt động của các nhà máy nhiệt điện. Nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch (than, dầu hoặc khí đốt…) để tạo ra điện. Còn nhà máy điện hạt nhân sử dụng nhiệt lượng từ các phản ứng phân hạch hạt nhân để điều khiển các tuabin quay, từ đó tạo ra điện năng. Công cụ chính trong các nhà máy điện hạt nhân là các lò phản ứng hạt nhân. Trong các lò phản ứng hạt nhân, quá trình tạo nhiệt này được thực hiện bởi các phản ứng phân hạch của các nhiên liệu hạt nhân, mà phổ biến nhất là Urani.
90% lò phản ứng điện hạt nhân trên thế giới hiện nay thuộc loại lò phản ứng nước nhẹ. Có 3 dạng lò phản ứng nước nhẹ. Bao gồm lò phản ứng nước áp lực, lò phản ứng nước sôi và (hầu hết thiết kế của) lò phản ứng nước siêu tới hạn. Lò phản ứng nước nhẹ là một kiểu lò phản ứng hạt nhân nơtron nhiệt sử dụng nước thường làm chất làm lạnh và điều hòa nơtron. Các lò phản ứng nơtron nhiệt là loại lò phản ứng hạt nhân phổ biến nhất. Và các lò phản ứng nước nhẹ là phổ biến nhất trong các lò phản ứng nơtron nhiệt. Hiệu suất của lò phản ứng hạt nhân dựa trên lượng nhiệt lượng thu được từ quá trình phân hạch của nhiên liệu hạt nhân. Lượng nhiệt lượng này sẽ được chuyển đổi thành cơ năng thông qua các tuabin. Cuối cùng, cơ năng này sẽ được chuyển đổi thành điện năng bằng máy phát điện. Lò phản ứng hạt nhân chịu trách nhiệm xử lý phân hạch nguyên tử nhằm tạo ra rất nhiều nhiệt lượng. Với lượng nhiệt này, lò phản ứng chuyển đổi nước thành hơi nước ở nhiệt độ và áp suất cao.
Như vậy, lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị được dùng để khởi động, duy trì và kiểm soát phản ứng hạt nhân. Trong thực tế có hai loại lò chính.
- Lò phản ứng hạt nhân phát sinh năng lượng nhiệt là loại lò được dùng để tạo ra nhiệt lượng từ phản ứng hạt nhân diễn ra ở vùng lõi (vùng hoạt) của lò. Đây là loại phổ biến nhất, đến mức “lò phản ứng hạt nhân” thường được hiểu là loại này.
- Lò phản ứng hạt nhân dùng trong nghiên cứu khoa học hoặc chế tạo đồng vị. Các cơ sở sản xuất đồng vị phóng xạ tiến hành phản ứng hạt nhân trong loại lò này rồi đem tách chiết ra những đồng vị phóng xạ khác nhau và cung cấp cho các cơ sở nghiên cứu khoa học, đo lường, y tế,…
U-235 chỉ chiếm khoảng 0,7% trong thành phần uranium tự nhiên. Để có được phản ứng dây chuyền tự duy trì trong nhà máy hạt nhân, tỷ lệ uranium 235 cần phải tăng từ 0,7% lên trên 4%. Tốc độ của các phản ứng dây chuyền được kiểm soát bởi các thanh vật liệu hấp thụ neutron và làm chậm chuỗi phản ứng phân hạch đó. Tuy nhiên, khác với lò phản ứng hạt nhân, boom nguyên tử cần vật liệu phân hạch gần như tinh khiết (U-235 đạt trên 95%, nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân không đạt tới tỷ lệ như vậy). Có nghĩa là ít nhất một neutron từ mỗi phản ứng phân hạch có khả năng gây ra một phản ứng phân hạch khác. Điều này đồng nghĩa với việc các phản ứng dây chuyền phát triển một cách dữ dội, nhanh chóng và không thể kiểm soát được, dẫn đến những vụ nổ khủng khiếp.
Việt Nam hiện đang vận hành 01 lò nghiên cứu kiểu IVV-9, đặt tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân (Đà Lạt). Hiện nay, Việt Nam và Nga hợp tác triển khai Dự án Trung tâm Nghiên cứu khoa học công nghệ hạt nhân với lò phản ứng nghiên cứu mới công suất 10 MW. Trong khuôn khổ chuyến thăm của Tổng thống Nga Vladimir Putin tới Việt Nam ngày 19-20/6, Chủ tịch nước Tô Lâm và Tổng thống Putin đã chứng kiến lễ trao đổi bản ghi nhớ giữa Tổng giám đốc Rosatom Alexey Likhachev và Bộ trưởng Khoa học và Công nghệ Huỳnh Thành Đạt về kế hoạch triển khai Dự án xây dựng Trung tâm Nghiên cứu khoa học và công nghệ hạt nhân tại Việt Nam.
Dự án Trung tâm Nghiên cứu khoa học công nghệ hạt nhân (CNST) được thực hiện theo Hiệp định Liên Chính phủ ký năm 2011. Dự án đã được Chính phủ Việt Nam phê duyệt chủ trương đầu tư năm 2018. CNST dự kiến đặt tại Long Khánh, Đồng Nai. Trung tâm này sẽ có lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu với công suất 10 MW, sử dụng nhiên liệu độ giàu thấp do Nga chế tạo. CNST tập trung lĩnh vực vật liệu chiếu xạ, khoa học sinh học, đồng vị phóng xạ, kỹ thuật lò phản ứng, an toàn bức xạ; nghiên cứu điều chế dược chất mới trong điều trị ung thư, nghiên cứu chiếu xạ silic – vật liệu bán dẫn, tán xạ góc nhỏ…
Lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu tại Đà Lạt.
Từ khóa: lò phản ứng hạt nhân; vũ khí hạt nhân;
– CMD&DND –
